材料結(jié)構(gòu)小尺寸與特征微觀尺寸-微觀結(jié)構(gòu)電子顯微鏡

薄膜系統(tǒng)的分類是基于相對(duì)的物理尺寸，而沒有涉及反映材料基本
結(jié)構(gòu)的任何長(zhǎng)度尺度．這種長(zhǎng)度尺度通常與材料特定的化學(xué)組成有關(guān)，
而且尺度可依賴于形成材料結(jié)構(gòu)的制備方法．例如，對(duì)多晶體薄膜來說
，本征長(zhǎng)度尺度至少包括原子單胞的尺寸、晶體缺陷的間距和晶粒尺寸
．這樣，應(yīng)該根據(jù)比較薄膜結(jié)構(gòu)的微小尺寸和組成的材料的絕對(duì)長(zhǎng)度尺
度特征來考慮薄膜組態(tài)的次分類．

當(dāng)薄膜的厚度同基底厚度相比很小時(shí)(一般是50倍或更多)，它代表
力學(xué)上的薄麓在這種情況下，薄膜材料或者沒有本征結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度尺度(如
非晶薄膜情況)，或者薄膜厚度遠(yuǎn)大于所有特征微結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度尺度，例如
晶粒尺寸、位錯(cuò)、胞尺寸、沉淀物或顆粒間距、位錯(cuò)環(huán)直徑、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)
的平均自由程或磁疇壁尺寸．這些結(jié)構(gòu)f典型的厚度是幾十或幾百微米)
通過等離子噴涂或物理氣相沉積在基底上．或薄層通過焊接、擴(kuò)散焊、
爆炸復(fù)合、燒結(jié)或高溫自蔓燃合成結(jié)合在基底上．當(dāng)然，這個(gè)定義只有
當(dāng)微結(jié)構(gòu)的尺寸尺度小于薄膜厚度時(shí)成立．為了分析這些力學(xué)薄膜中的
應(yīng)力、基底曲率和斷裂，在很大范圍的實(shí)際情況中要使用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)
方法．

當(dāng)材料結(jié)構(gòu)的小尺寸與特征微觀尺寸尺度相當(dāng)時(shí)，薄膜被認(rèn)為是微
觀結(jié)構(gòu)薄膜，在微電子器件和磁存儲(chǔ)介質(zhì)中使用的多數(shù)金屬薄膜都是微
觀結(jié)構(gòu)薄膜的例子，其中薄膜厚度遠(yuǎn)大于原子或分子尺寸．雖然在這些
情況下，薄膜厚度一般只包括幾個(gè)結(jié)構(gòu)單元，薄膜的平面尺寸遠(yuǎn)大于特
征微觀尺寸尺度．與力學(xué)薄膜相比，這些薄膜的力學(xué)性能更強(qiáng)烈地受到
諸如平均晶粒尺寸、晶粒形狀、晶粒尺寸分布和晶體學(xué)織構(gòu)等因素的影
響．晶粒與晶粒之間晶體取向的變化和熱、電、磁、機(jī)械性能的晶體各
向異性也對(duì)微觀結(jié)構(gòu)薄膜的整個(gè)力學(xué)響應(yīng)有更加明顯的影響．在這本書
中詳盡地考慮了微觀結(jié)構(gòu)薄膜的機(jī)制和力學(xué)．在基底表面上，微觀結(jié)構(gòu)
薄膜可以制備成線或條的圖案，這種情況下每條線的橫截面尺寸都與微
觀單元尺寸相當(dāng)．對(duì)外延結(jié)合于較厚基底上的單晶薄膜來說，只有晶格
是微觀上有意義的尺寸．因此，這種薄膜一般即使在薄膜厚度僅為原子
單胞尺寸的幾倍時(shí)也被當(dāng)作是微觀結(jié)構(gòu)薄膜．

原子級(jí)薄膜構(gòu)成的層的厚度與一個(gè)或幾個(gè)原子層相當(dāng)．表面上吸收
的單層氣體或雜質(zhì)原子就是原子級(jí)薄膜的例子．在這里，原子間勢(shì)和表
面能將可能比宏觀力學(xué)性能和變形微觀機(jī)制更影響薄膜的力學(xué)響應(yīng)．

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